Деформацией называется изменение формы и размеров тела под действием приложенных сил.
Внешние и внутренние силы приводят к возникновению в сечении тела напряжений.
Напряжением называется сила, приходящаяся на единицу площади сечения тела.
Под действием осевых растягивающих сил Р (рисунке 13) в плоскости m-n действуют нормальные растягивающие напряжения:
σ = P/F (H/м2 , МПа, кгс/мм2),
где F -площадь поперечного сечения.
В произвольно выбранной плоскости mi-ni площадь сечения Fa=F/Сos a, действующая сила в этом сечении Рa=Р × Cos a, нормальные напряжения
σa = Pa / Fa = σ × Cos2a, касательные напряжения τa=1/2 × σ × Sin2a.
Касательные напряжения τa, обращаясь в нуль в продольных и поперечных сечениях, имеют наибольшее значение на площадях, наклоненных под углом 450 к оси растянутого стержня: τmax = σ/2.
![](/wp-content/uploads/d-64.jpg)
Рисунок 13 — Схема образования растягивающих нормальных (σ) и касательных (τ) напряжений
Деформация металла под действием напряжений может быть упругой и пластической.
Упругой называется деформация, полностью исчезающая после прекращения действия вызвавших ее напряжений.
Она не вызывает заметных остаточных изменений в структуре и свойствах металла, происходит незначительное по величине и обратимое изменение расстояний между атомами в кристаллической решетке металла (рисунке 14). С увеличением межатомных расстояний значительно возрастают силы взаимного притяжения атомов. При снятии напряжений под действием сил притяжения атомы возвращаются в исходное положение и упругая деформация исчезнет. Нормальные напряжения могут вызвать только упругую деформацию.
![](/wp-content/uploads/d-65.jpg)
Если нормальные напряжения достигают величины сил межатомной связи, то произойдет хрупкое разрушение путем отрыва.
Пластической, или остаточной, называется деформация, остающаяся после прекращения действия сил, вызвавших ее.
В кристаллической решетке металла (рисунок 15) происходит необратимое перемещение атомов. После снятия напряжений в теле наблюдается остаточное изменение формы и размеров, причем сплошность тела не нарушается.
![](/wp-content/uploads/d-66.jpg)
Необратимое смещение атомов на параметр решетки происходит под действием касательных напряжений. В кристаллической решетке сдвиг (скольжение) происходит по плоскостям и в направлениях с наиболее плотной упаковкой атомов. Эти плоскости называются плоскостями сдвига, или скольжения. Чем больше элементов сдвига в решетке, тем выше пластичность металла. Наиболее легкий сдвиг по этим плоскостям и направлениям объясняется тем, что при этом величина перемещения атомов из одного устойчивого равновесного положения в узле решетки в другое такое же положение будет минимальной, а следовательно, необходимое касательное напряжение — наименьшим. В результате развития пластической деформации происходит разрушение путем среза.
Для одновременного перемещения атомов в плоскости сдвига требуется очень большое напряжение, которое в сотни и тысячи раз превышает реальное сопротивление сдвигу (таблица 1).
Таблица 1 — Теоретическое и реальное сопротивление сдвигу для пластической деформации некоторых металлов
Металл | Сопротивление сдвигу, МПа | |
теоретическое | реальное | |
Железо Алюминий Медь |
2300 1900 1540 |
29 1,2…2,4 1,0 |
Расхождения между теоретическим и реальным сопротивлением сдвигу, или между теоретической и реальной прочностью при пластическом деформировании, было объяснено дислокационным механизмом пластической деформации. Для перемещения дислокаций (рисунок 16) требуется лишь незначительное перемещение атомов, и пластическая деформация совершается при небольшой величине касательных напряжений, что и соответствует экспериментальным данным.
При выходе дислокации на поверхность металла она перестает существовать, но процесс пластической деформации сопровождается не только движением дислокаций, но и их зарождением. Источниками новых дислокаций могут быть вакансии, дислоцированные атомы, границы блоков и зерен, сами дислокации, не способные перемещаться.
Пластическая деформация поликристалла принципиально идет по тому же механизму, что и рассмотренного выше монокристалла, но имеет некоторую особенность. В поликристаллическом металле зерна, а следовательно, и плоскости легкого скольжения имеют разную ориентировку.
![](/wp-content/uploads/d-67.jpg)
в б а
Вследствие влияния соседних зерен деформирование каждого зерна не может совершаться свободно и начнется, когда напряжения превысят предел упругости. Сначала пластическая деформация может происходить лишь в отдельных зернах, у которых плоскости легкого скольжения совпадают с направлением максимальных касательных напряжений (под углом 450 к направлению приложенных сил). Кроме сдвига происходит и поворот частей зерна. При повороте плоскостей сдвиг облегчается. Смещение и поворот зерна приводит к повороту других зерен, в которых начинается процесс пластической деформации (рисунок 17).
В результате сдвигов и поворота плоскостей скольжения зерно (рис. 18, а) постепенно вытягивается в направлении растягивающих сил и образуется характерная ориентированная волнистая структура (рисунок 18, б), которая называется текстурой. В этом состоянии металл имеет резко выраженную анизотропию свойств, т.е. неоднородность свойств вдоль и поперек волокон. Так, вдоль волокон металл прочнее, чем в поперечном направлении.
![](/wp-content/uploads/d-68.jpg)
Рисунок 17 — Схема возможных направлений плоскостей сдвига в зернах металла а — до деформации; б — после формации